Βασικοί νόμοι και Έννοιες Mηχανολογίας

HTML
DOWNLOAD

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Βασικοί νόμοι και Έννοιες Mηχανολογίας"

ŌἈαρών Κοσμόπουλος
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Βασικοί νόμοι και Έννοιες Mηχανολογίας Εισαγωγή στη Μηχανολογία Δ. Μπούρης Επ. Καθηγητής Τομέας Ρευστών, Σχ. Μηχανολόγων Μηχανικών

2 Ο μηχανικός οφείλει να έχει ολοκληρωμένη γνώση, και γι αυτό πραγματοποιεί εκτεταμένες σπουδές, μαθηματικών και φυσικών επιστημών Υπάρχουν διάσημοι μηχανικοί που εκπαιδεύτικαν ως μαθηματικοί ή φυσικοί επιστήμονες Υπάρχουν διάσημοι φυσικοί επιστήμονες που εκπαιδεύτικαν ως μηχανικοί Ωστόσο, οι μηχανικοί και οι μαθηματικοί ή φυσικοί επιστήμονες έχουν διακριτούς ρόλους The scientist seeks to understand what is; the engineer seeks to create what never was Von Karman

3 Ποιότητα έναντι Ποσότητας στη Προπτυχιακή Εκπαίδευση του Μηχανικού Στο διάστημα των σπουδών του, είναι ανέφικτο να κατακτήσει ο φοιτητής όλες τις απαραίτητες γνώσεις για επιτυχημένη επαγγελματική καριέρα Στόχοι είναι Να μάθει το «πως» της μάθησης και να καταλάβει ότι είναι δια βίου διαδικασία Να αναπτυχθεί θεμελιώδης κατανόηση των ενιαίων αρχών που διέπουν τις γνώσεις και τα εργαλεία του επαγγελματία μηχανικού. Να δοθεί έμφαση στο «σχεδιασμό» και στην έννοια των «ανοικτών» προβλημάτων και όχι στην εφαρμογή τυποποιημένων προσεγγίσεων.

4 Βασικές Αρχές των Νόμων της Φυσικής Αρχή της Παγκοσμιότητας Παγκόσμια ισχύ Αρχή της Αιτιότητας Αιτία αιτιατό Νόμος του Ακροτάτου Μεγιστοποίηση/ελαχιστοποίηση φυσικής ποσότητας

5 Μαθηματικά Βασική γλώσσα επικοινωνίας των επιστημόνων Μετατροπή τεχνικού προβλήματος σε μαθηματική έκφραση είναι η βάση της ποσοτικοποίησης προβλήματος, λύσης, συμπερασμάτων Φυσική Σχετικότητα, κβαντική φυσική, μοντέλο ατόμου, ενοποίηση δυνάμεων Χημεία Βασική για την εξήγηση ιδιοτήτων υλικών, βιολογικών συστημάτων, καυσίμων... Περιοδικός πίνακας

6 Νόμοι Μηχανικής Νόμοι Νεύτωνα Στατική και Δυναμική ισορροπία κατασκευών-αντοχή Υλικών Εξισώσεις Lagrange Κίνηση σωμάτων- ταλαντώσεις μηχανών Δυναμικές φορτίσεις Εξισώσεις Navier-Stokes Κίνηση ρευστών Πτήση αεροσκαφών-λειτουργία καρδιάς

7 Στατική ισορροπία F = 0 Ισορροπία δυνάμεων (γενικά 3 εξισώσεις) Ισορροπία ροπών (γενικά 3 εξισώσεις σε 3 άξονες)

8 Είδη ισορροπιών/έλεγχος Ευσταθής ισορροπία Πέδηση αυτοκινήτου Ταχύτητα αυτοκινήτου Ασταθής ισορροπία Ατμοσφαιρικό CO 2 Φαινόμενο Θερμοκηπίου

9 Αντοχή υλικών-τάσεις F Τάση εφελκυσμού: σ=f/a Aνηγμένη επιμήκυνση : ε=δl/l F F F Θλίψη υλικού σ τάση θλίψης σ=f/a A A F F τ = A τ διατμητική τάση

10 Νόμος του Hooke P P Nόμος του Hooke: σ=ε.ε ε=δl/l σ=p/a Ε μέτρο ελαστικότητας σ επ = σ max /λ λ συντελεστής ασφάλειας σ επ,χαλυβα =(20-50)N/mm 2 Ε χαλυβα =207 GPa σ max σ Θραύση πλαστική Ελαστική περιοχή ε

11 Ελαστικότητα-Θραύση Μοντέλο ελατηρίου Ελαστική συμπεριφορά - φόρτιση F=k Δl Ε ελαστ =1/2 k Δl 2 Τάση σ σ=f/a=e ε = Ε Δl/l Παράδειγμα : Πτώση από ύψος h=2m ενός ατόμου με m=70 kg

12 Νόμοι διατήρησης Διατήρηση Μάζας Διατήρηση Ορμής Διατήρηση Ενέργειας Νόμος Εντροπίας και άλλοι

13 Η έννοια του όγκου ελέγχου Οι όγκοι ελέγχου (Ο.Ε.) είναι νοητικοί όγκοι που ορίζονται από νοητά όρια και χρησιμεύουν στην απλοποίηση και ανάλυση προβλημάτων διατήρησης μεγεθών Οι Ο.Ε. μπορεί να έχουν αυθαίρετο σχήμα και αριθμό ορίων Τα όρια των Ο.Ε. είναι διαπερατά από τις εξεταζόμενες ποσότητες (μάζα, ενέργεια, ορμή κλπ) Δυνάμεις μπορεί να ασκούνται στα όρια των Ο.Ε. Τα όρια των Ο.Ε. μπορεί να ασκούν δυνάμεις Οι Ο.Ε. μπορεί να είναι στατικοί, κινούμενοι ή παραμορφούμενοι

14 Η έννοια του όγκου ελέγχου Τι συμβαίνει σε έναν όγκο ελέγχου ; Είσοδος Έξοδος Δημιουργία Καταστροφή Έξυπνες επιλογές O.E. Σύστημα συντεταγμένων που να εξυπηρετεί την ανάλυση Όρια που να εξυπηρετούν την ανάλυση όπου είναι γνωστά τα μεγέθη όπου είναι επιθυμητός ο υπολογισμός μεγεθών Όρια και Σ.Σ. κάθετα ή παράλληλα στις ροές

15 Ισολογισμος μάζας-ι mεισ = mεξ + dm αποθ dt Παραγωγή-καταστροφή m αποθ Τι μπαίνει, τι βγαίνει και τι παραμένει στον όγκο ελέγχου-αναφοράς στη μονάδα του χρόνου

16 Παραδείγματα ισολογισμού μάζας

18 Παραδείγματα ισολογισμού μάζας

19 Παραδείγματα ισολογισμού μάζας

20 Υδραυλικό Σύστημα Πέδησης Αυτοκινήτου

21 Υδραυλικό Σύστημα Πέδησης Αυτοκινήτου Επιλογή όγκου ελέγχου ;

22 Υδραυλικό Σύστημα Πέδησης Αυτοκινήτου Επιλογή όγκου ελέγχου

23 Ισολογισμός ενέργειας Τι είναι η ενέργεια ;

24 Ορισμός Ενέργειας και Έργου Χημική-Θερμική-Μηχανική Μηχανική-Μηχανική

25 1 ος Θερμοδυναμικός νόμος Η Ενέργεια διατηρείται H ενέργεια του σύμπαντος είναι σταθερή όση ήταν στο χρόνο μηδέν Η μια μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε άλλη Συνολικά διατηρείται Μορφή ενέργειας Α Ποσότητα Ε Α Διεργασία (Μηχανή) Μορφή ενέργειας Β Ποσότητα Ε Β Μορφή ενέργειας Γ Ποσότητα Ε Γ Ε Α =Ε Β +Ε Γ Αεικίνητο πρώτου είδους ; η=ε Β /Ε Α

26 Ενέργεια-Βαθμός Απόδοσης Ηλεκτρική ενέργεια Θερμική (βραστήρας-θερμοσίφωνο) Μηχανική (μίξερ, στεγνωτήριο ρούχων) Μηχανική ενέργεια Χημική Ενέργεια Θερμική Ενέργεια Ηλιακή ενέργεια Ηλεκτρική (υδροηλεκτρικός σταθμός) Μηχανική (Ανεμοκινητήρες) Θερμική-Καύση-Μηχανική (Κινητήρες) Ηλεκτρική (μπαταρίες-κυψέλες καυσίμου) Θερμική (κουζίνες Φυσικού αερίου) Μηχανική (Σταθμοί Ηλεκτροπαραγωγής) Θερμική (ηλιακοί θερμοσίφωνες) Ηλεκτρική (φωτοβολταικά στοιχεία)

27 Conversion process Energy efficiency Electricity generation Gas turbine up to 40% Gas turbine + steam turbine (combined cycle) up to 60% Water turbine up to 90% (practically achieved) Wind turbine up to 59% (theoretical limit) (35-45% in practice) Solar cell 6-40% (technology dependent, 15% most often, 85-90% theoretical) Fuel cell up to 85% World Electricity generation 2008 Gross output 39%, Net output 33%. Engine/Motor Combustion engine 10 50% Electric motors % (above 200W); 50 90% (between W); 30 60% (small ones < 10W) Natural process Photosynthesis up to 6% Muscle 14 27% Appliance Household refrigerators low-end systems ~ 20%; high end systems ~ 40 50% Incandescent light bulb %, 5 10% Light-emitting diode (LED) %, up to 35% Fluorescent lamps %, 28% Electric heaters ~100% (essentially all energy is converted into heat)

28 Παράδειγμα: Ηλ. Ενέργεια Ζεστό Νερό Ηλιακή Ενέργεια η ΦΒ ~10-15 % I~ W/m 2 η~ % η Θ.Σ. ~45 %

29 Μονάδες Ενέργειας-Ισχύος Παραδείγματα τάξης μεγέθους 1 kcal (=1000 θερμίδες προσοχή στη διατροφολογία) 1 kjoule 1 kw =1 kj/s 1 kwh=1 χβω 1 kg πετρέλαιο=10000 kcal (1 kcal=4,2 kj) 1 kwh=3600 kj 1boe=160 l πετρελαίου Θερμαντικές ανάγκες τυπικού διαμερίσματος kcal/h ημερήσιες ανάγκες ανθρώπου=3500 kcal (=12600 kj=3.5 kwh=0,146 kw για 24 hr) 1 πάστα=300 kcal 1 doughnut=135 kcal Θερμοσίφωνας 3 kw 1 hamburger=250 kcal Ηλ. Κουζίνα 1-3 kw 1 φέτα ψωμί=55 kcal Ψυγείο 500 W 1 ώρα άσκηση=400 kcal Μηχανή αυτοκινήτου 50 kw 1 ώρα ύπνος = 60 kcal/h

30 Ισολογισμός ενέργειας Ισχύος

31 Ισολογισμός ενέργειας Ισχύος Ισορροπία Δυνάμεων: F + W = R Ισορροπία ροπών: W D 2 = F D 1 Διατήρηση έργου : W δx w = F δx F Διατήρηση ισχύος : W u w = F u F R W F

32 Συμβατικό Ενεργειακό Παράδειγμα Θερμοηλεκτρικός σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας kw (καύσιμο λιγνίτης) καπνοδόχος Θάλαμος καύσης Εναλλάκτης θερμότητας Προθερμαντής αέρα Βαθμός απόδοσης η=33% Ε Β = kw Ε Α =100000/0,33 = kw E Γ = = kw M λιγν = /5000 = 60 kg/s M αερ = 4 Μ λιγν = 240 kg/s

Σχετικά έγγραφα

Εργ.Αεροδυναμικής,ΕΜΠ. Καθ. Γ.Μπεργελές

Εργ.Αεροδυναμικής,ΕΜΠ. Καθ. Γ.Μπεργελές ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΟΙ ΝΟΜΟΙ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ Αρχή της Παγκοσμιότητας Αρχή της Αιτιότητας Νόμος του Ακροτάτου Διατήρηση Μάζας ή Ενέργειας Νόμος Εντροπίας και άλλοι 1 Νόμοι Νεύτωνα Νόμοι